植物生理学论文植物细胞和组织培养技术在生产及转基因技术中的应用.doc

植物生理学课程论文之植物细胞和组织培养技术在生产及转基因技术中的应用 姓名： 李鑫 班级： 生科121 学号： 2012014158植物细胞和组织培养技术在生产及转基因技术中的应用班级：生科121学号：2012014158作者：李鑫摘要:植物细胞和组织培养技术是以细胞全能性为理论基础建立的一种离体培养技术。该技术发展异常迅猛，已作为一种有效的实验系统,广泛用于生产和科研，显示出了巨大的应用价值。本文将从植物植物细胞和组织培养技术在生产及转基因技术中的应用两个主要方面介绍该技术的应用和发展，并介绍其大致发展历程及其原理，在末尾提出了对该项技术的一些展望。关键词：植物细胞和组织培养技术 原理 转基因技术 应用 展望1组织培养简史及基本原理植物组织细胞培养的依据是植物细胞“全能性”及植物的“再生作用”.1902年,德国著名植物学家G.Haberlanclt根据细胞学理论,大胆地提出了高等植物的器官和组织可以不断分割,直到单个细胞,即植物体细胞,在适当的条件下,具有不断分裂和繁殖,发育成完整植株的潜力的观点.1943年,美国White在烟草愈伤组织培养中,偶然发现形成一个芽,证实了G.Haberlanclt的论点.组织培养选用的基础培养基有MT、MS、SH、White、N6等,由于不同种类植物所需要的生长条件有所不同,有的培养基要作一些改良,有的要选择专用培养基,但是一般采用较多的是MS.组织培养采用固体培养基的比较多,但固体培养基只有在植物的周围的营养物和激素被吸收,而大多数的物质还残留在培养基里,如果这些培养基还能被利用,对工厂化生产的减少成本方面有很大的帮助.董雁等利用回收转换后废弃的继代培养基,加入原继代培养基30%浓度母液的培养基,丛生状苗分化情况和抽茎苗生长发育与原继代培养基的基本相同,说明继代培养基再利用的试验是可行的.这为规模化组培育苗开辟了新的途径.杜勤等在无外源激素条件下,研究液体和固体培养基对黄瓜子叶培养器官分化的影响,结果用液体培养基直接诱导花芽率更高,分化高峰期出现的时间也更早.这也说明了液体培养基对外植体的生长更有利,只是固体培养基在操作上更方便,被较广泛应用.在基础培养基里添加一定浓度的外源激素,可以诱导出愈伤组织、胚状体、不定芽、根等器官,最终可获得再生植株或者次生产物.常用的激素类型有生长素类、细胞分裂素类、赤霉素等.2、在生产中的应用近年来,利用各种外植体进行组织培养及实验室内进行细胞水平上操作,大大节省了人力、物力及时间,提高了工作效率。并且与其它技术相结合,在创造植物抗病、耐盐碱、抗除草剂等抗逆性变异体及筛选突变体、获得次生代谢产物等方面取得了很大成就。植物在组织培养过程中,由于经受非生物因子的胁迫诱导,体细胞会发生各种可遗传变异,这种变异称为体细胞无性系变异(Somoclonal variation,SV)。目前,体细胞无性系变异被认为是农作物产生变异的一个新的重要来源,在农作物育种中具有潜在的价值。2.1优良突变体的筛选扩大变异是植物育种程序的重要环节之一。只有广泛的变异,才能从中筛选出性状优异的材料。细胞和组织培养是扩大变异的有效途径。利用细胞和组织培养中常发生变异的原理,可以进行突变的诱发和离体选择。大量试验表明,从细胞培养获得的遗传变异已成为选择有用变异的一个新重要来源。比如抗冷突变体的筛选：金润洲等(1996)将来自11个基因型幼穗的愈伤组织,在15e下继代培养,在粳稻体细胞无性系中获得大量的可遗传耐冷变异体,遗传力分析表明,体细胞无性系的耐冷变异体可以在R2代进行选择,这对耐冷育种具有重要的参考价值。经过几年的努力,共获得耐冷性极强的体细胞无性系28份,可以作为耐冷育种的新种质资源。再如株高突变体的筛选：黄道强等(2001)采用幼穗诱导愈伤组织,经过2次继代培养的无性系,矮秆变异频率显著提高,矮秆变异体的株高降幅达1015 cm,生育期提早的变异体也较多,有些个体提早57 d成熟,能在短时间内有效地改良少数不良性状。有些变异性状在第34代就表现出遗传上的稳定性。经过定向选育,在奇妙香、窄叶占中育出了苗头品系。郭秀平等(2002)以同源四倍体水稻种质资源为材料,通过水稻花药培养的减倍,得到新种质矮变体H2558。该变异体株高30 cm,茎较粗,分蘖穗粒数多,剑叶短宽,株型紧凑,可在育种研究中作为矮源加以利用。孙立华等(1994)用半矮秆广亲和粳稻种质0242 8进行组织培养,获得由隐性单基因控制的具有广亲和性的高秆突变体02428 h。利用02428h隐性高秆基因,改良籼稻不育系包颈、粳稻恢复系株高的弊端,把隐性高秆基因导入半矮秆广亲和系,将有利于解决亚种间杂种植株太高的问题。由于隐性高秆性状的特殊性,它不仅是水稻育种的宝贵种质,也是生理代谢和遗传分析的特异材料。刘选民等(2002)以不育系水稻株1s幼穗和成熟胚为外植体,经组织培养获得愈伤组织,继代25 d,转移到含有高浓度的2,4-D的培养基上培养,经分化获得绿苗,多代种植调查,获得配合力强、受一对基因控制的矮秆新不育系。此外，通过组织培养，还可以筛选抗盐抗病植株，极大地提高了农作物的耐受性，提高了作物的产量。2.2花粉培养和单倍体育种花粉和单核期花药具有配子体染色体数,可通过培养获得单倍体。单倍体经处理(秋水仙素)染色体加倍,可迅速地获得纯和的二倍体,这在育种上可加速亲本材料的纯化。同时,利用单倍体进行诱变育种,产生的隐性突变在第一代即可表现出来,有利于鉴定和选择。在各种产生单倍体的方法中,如自然突变、物理化学诱导、远缘杂交染色体淘汰等,花粉及花药培养仍然是目前最好的方法。花培技术自70年代应用以来,已经在50多种植物上得到了单倍体植株,主要是禾本科、茄科、十字花科。中国也已成功利用花培选育出40多种花粉作物,其中小麦、小黑麦、玉米、甘蔗、甜菜、橡胶在国内尚属首次。水稻中花8、9、10号,优质、高产、抗稻瘟病,种植面积曾达20多万hm2,小麦京花1号,推广面积6万hm2,经济效益明显。现在,花培已成为一项重要的常规育种技术,但这一技术在育种上的潜力尚未充分发挥,主要是由于许多有意义的杂交亲本或组合还不能培养成功,或者诱导频率较低。2.3 良种的快速繁殖绝大多数花卉植物是采用传统无性繁殖方法来进行繁殖的。当一个新品种育成后,由于可供繁殖的母株很少,传统的无性繁殖方法就难以满足短期内提供大量苗木的要求。植物组织培养能大大加速植物繁殖速度,一年增加几百万倍很容易做到(张涛,1994)。目前,植物组织培养在花卉生产中的应用,最有成效的领域就是快速繁殖。郭秀平等(2002)用同源四倍体水稻种质资源为材料,通过水稻花药培养的减倍,得到新种质高频系A87203,该材料一个芽丛培养一个月,芽数可增殖150200倍,高的可达350倍以上。解剖镜下观察,芽的发生方式为芽上长芽。若将芽切碎,重新接种在MS脱分化培养基上,愈伤组织可增殖5倍左右,再将愈伤组织转入MS分化培养基上,有一半左右的愈伤组织分化出芽,并且仍具有高频率再生芽的特性,通过控制光温条件,可使其保持不定芽状态或迅速产生大量难以计数的完整再生植株。该材料以继代15年之久,仍保持极强的增生能力,因该材料的特点是基因型所致,取材方便且可周年使用,不受季节、环境条件的限制,可作为原生质体培养、外源基因导入的变体、抗性筛选、胚状芽包装以及遗传育种等项研究的试验材料。2.4 组织培养与次生物质的生产植物的一些次生代谢产物在实际应用中有着巨大的应用价值。利用细胞培养的方法,可以获得次生代谢产物,如色素、紫杉醇、人参皂甙、生物碱、萜内酯等。紫杉醇(taxol)是从红豆杉属植物中分离到的一种二萜烯类化合物,因具有光谱抗肿瘤活性而得到广泛的临床应用,成为当今世界上有效的抗癌药物之一。但是红豆杉天然资源贫乏且紫杉醇含量极低(仅为干重的0101%),解决其药源问题就显得非常重要。人参皂甙是人参(Panax ginseng C.A.Mey)的主要有效成分,对人类多种疾病具有显著疗效。梅兴国等(2000)发现20mg/L水杨酸(salicylicaCid)对紫杉醇促进效果最明显,紫杉醇含量可达对照的13倍。杨振堂等(2000)利用发根农杆菌A4菌株感染人参根外植体,获得遗传转化的人参发根,筛选出高产发根无性系R98111。经过对R98111无性系小规模发酵式培养,在容积为的210 L生物反应器中培养28 d后,发根生物产量达到3812 g/L#DW,人参皂甙产量达0134 g/L(人参皂甙含量实测为0.89%)。初步实现了人参发根高效液体培养,为人参皂甙工厂化生产奠定了基础。3 组织培养与转基因技术的应用3.1农杆菌介导转化我国第一个T-DNA插入突变体库的构建和研究为我国水稻功能基因组学研究奠定了良好的技术和材料基础,为确保我国拥有一批有自主知识产权的基因资源作出了积极贡献。由中国水稻研究所农业部水稻生物学重点开放实验室和中科院上海植物生理研究所合作,通过建立大规模、高效的农杆菌介导的转基因技术体系,将玉米转座子Ac/Ds等外源基因导入水稻未成熟胚和种子诱导的愈伤组织,获得了1.2万个独立的T-DNA插入株系,并构建了水稻突变体的数据库。3.2 原生质体培养与体细胞杂交人们可以利用植物原生质体研究植物细胞壁的形成,还可以实现细胞融合和细胞杂交,以及细胞对外源基因、DNA片段、细胞器、染色体的捕获。因此,原生质体为植物遗传工程研究提供了方便的遗传操作实验系统。自从1960年来, Cokking采用酶解法分离原生质体获得成功后, 1971年,Nagata和Takebe从培养的烟草叶肉细胞原生质体获得完整的再生植株,极大地推动了原生质体方面的发展。同一时期,原生质体培养和体细胞杂交也在英、日、德、美等国获得成功。我国是1972年开始原生质体培养和体细胞杂交的研究。迄今为止,我国科学家已在50种以上植物上首先获得原生质体再生植株,并得到多种植物的细胞杂种,有些经济植物没有有性生殖能力或其有性生殖能力很低。例如香蕉、木薯、马铃薯、甘蔗等,在这些作物的改良中,体细胞杂交具有不可取代的重要性。将外源基因整合到植物细胞中,再通过细胞和组织培养,就能获得再生的转基因植株。这种细胞转化就可以利用原生质体的特性进行,虽然现在利用原生质体转化研究较少,以后必会发生很重要的作用。4组织培养的前景由于生产方法独特，且都是在人工无菌操作和近气温的环境条件下进行大规模的人工培养和工厂化生产，因此组织培养技术对食物资源的保质、保纯和反季节生产有着特殊作用，因而有望成为农产品工厂化生产的基本内容，预计在21世纪将形成大产业。组织培养技术已广泛应用于各个领域,它为许多学科研究植物生长发育、抗性生理、激素及器官发生与胚胎发生等提供了许多良好试材和有效途径。由于组织培养在人工控制的条件下进行,容易掌握花芽分化和开花的成因,在试管内人工授精,获得杂种或自交种;通过分离单倍体细胞,能培育纯合的二倍体优良品系,缩短育种时间;通过选择突变体,提高植物的品质,增强抗盐、抗旱、抗寒等方面的能力,扩大植物的生长范围;将体细胞冷藏在低温下,建立基因库,达到保存物种的目的;获得药用价值高和工业生产所需的次生产品等。参考文献1董雁,赵继梅,别婉丽.继代培养基再利用研究J .辽宁林业科技, 1998, 4: 13.2杜勤,竺莉红,梁海曼.无外源激素条件下液体和固体培养基对黄瓜子叶培养器官分化不同影响J .生物技术,1996, 6 (1): 17-19.3 王冬梅,黄学林,黄上志1细胞分裂素类物质在组织培养中的作用机理1植物生理学报, 1996,32(5):37337714 田文忠1提高籼稻愈伤组织再生频率的研究1遗传学报,1994,21(3):21522115 赵成章,孙宗修,郑康乐.水稻再生植株及后代的性状表现.遗传学报,1982,9(4): 32032416 金润洲,王景余,都兴林等1粳稻体细胞耐冷变异的诱导技术与遗传特性1吉林农业科学,1996,2:101717 赵富宽,高遐虹,程继鸿等1茄子抗冷细胞变异体的RAPD分析及自交一代株系的抗冷性鉴定1华北农学报,2003,18:172018 黄道强,黄慧君,陈文丰等.水稻幼穗继代培养体细胞无性系变异及其在育种上的应用.广东农业科学,2001,1: 24.9 郭秀平,陈旭1花培创造的水稻新种质1中国种业,2002,10:60110 孙立华,王月芳,蒋宁1具广亲和性的水稻隐性高秆细胞体变体1遗传报,1994,21(1):6773111 刘选民,杨远柱,陈彩艳等1利用体细胞无性系变异筛选水稻光温敏核不育系株1s矮秆突变体1中国水稻科学,2002,16(4):321325.12 米海莉,许兴,李树华等1春小麦耐盐突变体的筛选及耐盐性研究1宁夏农林科技2001,3:14113石太渊,王颖,杨立国等1高粱体细胞抗盐系的筛选1杂粮作物,2002,22(4):205207114 张建华,陈火英,庄天明1番茄耐盐突变体细胞变异体的离体筛选1西北植物学报,2002,22(2):